Kas tas giroskopas telefone ir kodėl jis svarbus
Kiekvieną kartą, kai pasukate telefoną žiūrėdami nuotrauką ir ekranas automatiškai pasisuka kartu su jumis, arba žaidžiate lenktynių žaidimą valdydami automobilį telefono pakreipimu – visa tai įmanoma dėl mažyčio giroskopo, paslėpto jūsų telefono viduje. Šis jutiklis tapo tokia įprasta dalimi, kad net negalvojame apie jį, kol kas nors nesutrinka.
Giroskopas – tai jutiklis, kuris stebi telefono kampinį judesį ir orientaciją erdvėje. Paprastai tariant, jis jaučia, kaip greitai ir kokia kryptimi sukate savo įrenginį. Tai skiriasi nuo akselerometro, kuris matuoja tiesinį greitį ir pagreitį. Kartu šie du jutikliai sudaro galingą duetą, leidžiantį telefonui tiksliai žinoti, kaip jis juda erdvėje.
Moderniuose išmaniuosiuose telefonuose naudojami MEMS (mikro-elektromechaniniai sistemų) giroskopai – tokie maži, kad tilptų ant kelių kvadratinių milimetrų lustų. Jie veikia visiškai kitaip nei tradiciniai mechaniniai giroskopai, kuriuos galite būti matę fizikos vadovėliuose ar senuose laivuose.
Kaip veikia mikroskopinis stebuklas
MEMS giroskopo veikimo principas pagrįstas Korioliso jėga – tai fizikos reiškinys, kuris atsiranda besisukančiose sistemose. Įsivaizduokite, kad stovite ant besisukančio karuselės krašto ir bandote nueiti tiesiai link centro. Jūsų kelias atrodys kreivas dėl Korioliso jėgos.
Telefono giroskope yra mikroskopinės vibracijos struktūros – maži „šukų” pavidalo elementai, kurie nuolat svyruoja tam tikru dažniu. Kai telefonas sukamas, šios svyruojančios struktūros patiria Korioliso jėgą, kuri jas šiek tiek nukreipia į šoną. Šis nukrypimas yra labai mažas, bet jis matuojamas naudojant talpinius jutiklius.
Talpiniu jutikliu veikia taip: tarp judančių ir nejudančių dalių yra labai mažas tarpas, kuris veikia kaip kondensatorius. Kai judančios dalys šiek tiek paslenka dėl Korioliso jėgos, pasikeičia talpis. Šis talpės pokytis paverčiamas elektriniu signalu, kurį apdoroja telefonui specialus mikroprocesorius. Viskas vyksta tūkstančius kartų per sekundę, todėl telefonas gali tiksliai sekti net greitus judesius.
Nuo laivų iki kišenės – giroskopo evoliucija
Pirmasis giroskopas buvo sukurtas dar 1852 metais prancūzo fiziko Léon Foucault. Tai buvo didelis mechaninis įrenginys su besisukančiu disku, kuris demonstravo Žemės sukimąsi. Tokio tipo giroskopai vėliau buvo naudojami laivuose ir lėktuvuose navigacijai – jie padėjo išlaikyti stabilią orientaciją net audringame ore ar jūroje.
Mechaniniai giroskopai buvo dideli, sunkūs ir brangūs. Jie turėjo besisukančias dalis, kurios nusidėvėdavo, reikalavo priežiūros ir energijos sukimui palaikyti. Niekas negalėjo įsivaizduoti tokio įrenginio mobiliajame telefone.
Proveržis įvyko XX amžiaus pabaigoje, kai buvo sukurta MEMS technologija. Pirmieji MEMS giroskopai buvo naudojami automobilių stabilumo sistemose ir oro pagalvių aktyvavimui. Tik 2010 metais, kai Apple įdėjo giroskopu į iPhone 4, ši technologija tapo standartine mobiliųjų telefonų dalimi. Nuo to laiko kiekvienas išmanusis telefonas turi bent vieną, o dažnai net tris giroskopus – po vieną kiekvienai ašiai (X, Y, Z).
Trys ašys ir erdvės supratimas
Kad telefonas galėtų tiksliai žinoti savo padėtį erdvėje, jam reikia matuoti sukimąsi aplink tris skirtingas ašis. Įsivaizduokite savo telefoną kaip mažą lėktuvą:
Pitch ašis (žemyn-aukštyn pakreipimas) – tai kai palenkiate telefoną pirmyn ar atgal, tarsi žiūrėtumėte į ekraną iš viršaus ar apačios. Šis judesys svarbus skaitant arba naršant internete.
Roll ašis (pasukimas į šonus) – kai pasukate telefoną horizontaliai, kaip vairuojant automobilį lenktynių žaidime. Būtent šis judesys dažniausiai naudojamas žaidimuose.
Yaw ašis (sukimasis aplink centrą) – kai laikydami telefoną horizontaliai sukate jį kaip kompasą. Tai svarbu navigacijos programoms ir papildytos realybės aplikacijoms.
Modernus telefonas turi atskirą jutiklį kiekvienai ašiai arba vieną sudėtingesnį jutiklį, kuris gali matuoti visas tris ašis vienu metu. Duomenys iš visų trijų ašių kombinuojami, sudarant pilną telefono orientacijos erdvėje vaizdą.
Kur naudojamas giroskopas kasdienybėje
Turbūt labiausiai pastebimas giroskopo panaudojimas yra automatinis ekrano pasukimas. Kai pasukate telefoną iš vertikalios į horizontalią padėtį, giroskopas (kartu su akselerometru) nustato šį judesį ir duoda komandą ekranui pasisukti. Tai atrodo paprasta, bet be giroskopo telefonas negalėtų atskirti, ar jį tiesiog pakreipėte, ar visiškai apsukote.
Žaidimuose giroskopas atveria visiškai naują valdymo dimensiją. Lenktynių žaidimai, šaudyklės, skrydžio simuliatoriai – visuose juose galite valdyti veiksmą tiesiog judindami telefoną. Tai kur kas intuityviau nei spaudinėti mygtukus ekrane. Kai kurie žaidimai net leidžia žiūrėti aplinkui 360 laipsnių kampu tiesiog sukant telefoną.
Navigacijos programose giroskopas padeda tiksliau nustatyti, kuria kryptimi žiūrite. GPS nurodo jūsų vietą, bet ne kryptį, jei nestovite vietoje. Giroskopas ir kompasas kartu leidžia žemėlapiui tiksliai rodyti, kur esate ir kur žiūrite, net jei tik ką pradėjote judėti.
Fotografijoje giroskopas naudojamas vaizdo stabilizavimui. Kai darote nuotrauką ar filmuojate vaizdo įrašą, giroskopas nustato telefono drebėjimą ir padeda kompensuoti šį judesį – arba mechaniškai judindamas objektyvą, arba skaitmeniškai koreguodamas vaizdą. Rezultatas – aiškesnės nuotraukos ir stabilesni vaizdo įrašai.
Papildytos realybės (AR) aplikacijos yra tiesiog neįmanomos be giroskopo. Kai naudojate programas kaip Pokemon GO arba IKEA baldų išdėstymo programėlę, giroskopas kartu su kamera leidžia tiksliai „padėti” virtualius objektus į realų pasaulį ir išlaikyti juos toje pačioje vietoje, net kai judinate telefoną.
Tikslumas ir apribojimai
Nors MEMS giroskopai yra stebuklingi savo mažumu ir energijos efektyvumu, jie nėra tobuli. Viena didžiausių problemų yra dreifas – giroskopas laikui bėgant ima „klaidžioti” ir rodyti netikslias vertes, net jei telefonas nejuda. Tai vyksta dėl temperatūros pokyčių, mechaninio nusidėvėjimo ir kitų faktorių.
Todėl telefonai naudoja jutiklių sujungimą (sensor fusion) – duomenys iš giroskopo kombinuojami su duomenimis iš akselerometro, magnetometro (kompaso) ir net GPS. Specialūs algoritmai analizuoja visus šiuos duomenis kartu ir kompensuoja kiekvieno jutiklio trūkumus. Pavyzdžiui, jei giroskopas pradeda dreifuoti, akselerometras ir kompasas padeda jį „atstatyti” į tikrąją padėtį.
Skirtingi telefonai turi skirtingo tikslumo giroskopus. Pigesnių telefonų giroskopai gali būti mažiau tikslūs ir lėtesni, o brangesnių – greitesni ir jautresni. Tai pastebėsite žaisdami žaidimus ar naudodami AR aplikacijas – geresnės klasės telefonuose viskas veikia sklandžiau ir tiksliau.
Energijos vartojimas ir optimizavimas
Vienas iš MEMS giroskopų privalumų yra mažas energijos suvartojimas, bet tai nereiškia, kad jie visai nevartoja energijos. Kai giroskopas veikia nuolat, jis gali pastebiamai trumpinti baterijos veikimo laiką. Todėl telefonų operacinės sistemos naudoja įvairius triukus, kad sumažintų energijos suvartojimą.
Vienas iš būdų – adaptyvus jutiklių naudojimas. Kai telefonas guli ant stalo ir nejuda, sistema gali sumažinti giroskopo apklausos dažnį arba net laikinai jį išjungti. Kai tik nustato judesį (naudodamas mažiau energijos vartojantį akselerometrą), giroskopas vėl įjungiamas.
Programų kūrėjai taip pat gali optimizuoti, kaip jų aplikacijos naudoja giroskopu. Pavyzdžiui, žaidimas gali naudoti giroskopu tik aktyvaus žaidimo metu, bet ne meniu ekrane. Arba navigacijos programa gali sumažinti giroskopo tikslumą, kai važiuojate tiesiai greitkeliu, ir padidinti jį tik artėjant prie posūkio.
Ateities perspektyvos ir naujos galimybės
Giroskopų technologija nuolat tobulėja. Naujausi MEMS giroskopai tampa dar mažesni, tikslesni ir energiškai efektyvesni. Kai kurie naujausi telefonai jau naudoja optinių giroskopų elementus, kurie veikia panašiai kaip profesionaliuose navigacijos įrenginiuose – naudojant šviesos bangų interferencijos principą.
Dirbtinio intelekto integravimas su giroskopo duomenimis atveria naujas galimybes. Telefonas gali išmokti atpažinti jūsų įprastus judesius ir gestus – pavyzdžiui, kaip paprastai ištraukiate telefoną iš kišenės, kaip laikote jį skambinant, kaip judinate fotografuodami. Ši informacija gali būti naudojama automatiniam funkcijų aktyvavimui ar personalizuotam vartotojo patirties pritaikymui.
Virtualios ir papildytos realybės plėtra reikalauja vis tikslesnių giroskopų. VR akiniai ir būsimi AR įrenginiai turi sekti galvos judesius su milimetriniu tikslumu ir minimaliu vėlavimu, kad išvengtų pykinimo jausmo ir sukurtų įtikinamą patirtį. Telefonų giroskopai tampa vis geresni būtent dėl šių reikalavimų.
Sveikatos stebėjimo srityje giroskopai jau dabar naudojami kritimų aptikimui vyresnio amžiaus žmonėms, judėjimo sutrikimų analizei ir net Parkinsono ligos simptomu stebėjimui. Ateityje tikimasi dar subtilesnės analizės, kuri galės aptikti sveikatos problemas anksčiau nei tradiciniai metodai.
Kas vyksta jūsų kišenėje šią akimirką
Dabar, kai skaitote šį straipsnį telefone, giroskopas jūsų įrenginyje tikriausiai dirba. Jis stebi, kaip laikote telefoną, ar jis juda, ar stovi vietoje. Jei staiga pasuksite telefoną, giroskopas tai užfiksuos per kelias milisekundes ir perduos informaciją operacinei sistemai.
Šis mažytis įrenginys, mažesnis už ryžio grūdą, atlieka tūkstančius matavimų per sekundę. Jis neturi judančių dalių tradicine prasme, bet jo mikroskopinės struktūros vibruoja dažniau nei vabzdžio sparnai. Visa tai vyksta naudojant mažiau energijos nei viena LED lemputė.
Giroskopas tapo tokia integralia telefono dalimi, kad mes net negalvojame apie jį – kol viskas veikia. Bet kai tik jis sugestų, iš karto pajustumėte skirtumą: ekranas nesisuktu teisingai, žaidimai taptų nevaldomi, navigacija – netiksli. Šis mažas jutiklis yra vienas iš daugelio komponentų, kurie paverčia šiuolaikinį išmanųjį telefoną tikru technologijos stebuklu jūsų kišenėje.